材料环境行为与服役性能 Environmental Behaviours & Performance of Materials

材料环境行为与服役性能 Environmental Behaviours & Performance of Materials 赵钦新博士、教授 Xi’an Jiaotong University

第四章失效分析基础 1.失效分析概述 2.失效物理和机理 3.失效诊断技术和方法 4.失效预测预防技术和方法

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（1）失效 1）概念通常认为，失效是构件或产品丧失规定功能的现象。机械产品的失效大致可分为三种类型： ①完全丧失其规定的功能； ②部分丧失其规定的功能，虽仍能工作，但已不能圆满地完成规定的任务； ③ 严重损伤，再不能安全地继续工作，此时应及时调换或修补。失效有时具有突发性，如结构断裂、开裂；有时具有渐进性，如材料的腐蚀、磨损或老化。

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（1）失效 2）失效和废品失效是指进入产品运行或使用之后发生的故障；而废品则是指进入商品流通领域前发生的质量问题。废品分析采用的方法常与失效分析方法一致。3）失效和可靠失效是可靠的反义词。产品可靠度R(t)是指时间t内还能满足规定功能产品的比率，即n(t)/n(0)。累积失效概率F(t)就是时间t内的不可靠度，即: F(t)=1-R(t)=[n(t)-n(0)]/n(0) 4)失效和事故失效强调过程，而事故一般突出后果。例如，一般说由于涡轮叶片(零件)的疲劳断裂失效(模式)，引起了某飞机事故。

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（2）失效分析 1）失效分析概念为了防止失效现象的重复发生，提高机械产品质量，早在20世纪初、人们就开始对零构件的失效现象进行比较系统的分析研究，后来随着工程力学、材料科学及交叉学科的发展和电子光学仪器测试技术的进步、在对大量工程失效现象的行为规律与机理研究的基础上，逐渐形成了一门新的分支学科，即失效学，也称为失效分析。对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析（宏观）。

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（2）失效分析 1）失效分析概念失效分析：对产品的失效模式、失效原因、失效机理进行分析诊断，采取补救、预测和预防措施的管理活动和技术活动。其主要内容包括: 明确分析对象，确定失效模式，研究失效机理，诊断失效原因，提出预测、预防措施。

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（2）失效分析 1）失效分析概念失效模式、原因和机理失效模式是指失效宏观现象，失效原因是指酿成失效的主要影响因素，失效机理是指失效的主要控制机制。以人生病来比喻，模式是指病症，原因是指病因，机理是指病理。甲型H1N1流感是首发于墨西哥的一种由新型甲型流感病毒引起的急性呼吸道传染病，其临床表现与季节性流感相似。失效分析和状态诊断失效分析是指事后的分析，而状态诊断是针对可能的主要失效模式、原因和机理方面事先的，即在线、实时、动态的诊断。

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（2）失效分析 2）失效分析分类按照应用阶段，从系统、产品、零件、材料开发到使用各个阶段，失效分析可大致分为：事前分析应用于设计、开发、制造阶段的预测分析：工程计算、可靠度计算、故障率的评价、FTA、FMEA、ETA等，以及零部件外购阶段的评价和认定等外购管理。事中分析在制造阶段中的制造、生产设备，使用中产品异常的预测、状态监视维护及状态监视。事后分析事后通过追究制造、试验和使用等各阶段发生的不良情况和异常情况，以及失效现场分析，根据现象产生的原因以及再现试验提出进一步改善的措施。

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（2）失效分析 3）失效分析的学科支撑失效分析预测预防正在发展成为一门新型学科——失效学，它主要由失效诊断、失效预测和失效预防三部分组成。这三部分的有机结合形成失效分析的核心内容。失效分析是指诊断失效的模式、原因和机理，研究采取补救、预测和预防措施的技术活动和管理活动。失效分析是事后的，预测、预防是事先的。失效分析的目的是为了预测预防。失效学研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论、技术和方法的交叉综合的分支学科。失效学与相关学科的边界还不够明确，它是一个发展中的新兴学科。

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（2）失效分析 3）失效分析的学科支撑近代材科科学与工程、工程力学和疲劳学科等对断裂、腐蚀和磨损的深入研究，积累了相当丰富的观点、见解和物理模型，为失效学的形成奠定了理论基础；数理统计学科的完善，模糊数学的突起，可靠性工程的发展与应用，以及电子计算机广泛普及，为失效学的完善奠定了方法基础。现代检测仪器、仪表科学的迅猛发展，检测技术的不断提高，特别是断口、裂纹和痕迹分析等技术体系的建立、发展和完善，为失效学的形成和发展奠定了技术基础；上述三者的融会贯通，使失放学得以逐步建立、发展和完善，成为一门相对独立的和综合性的新兴学科。失效分析涉及学科众多。

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（2）失效分析 4）失效分析的研究工作

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（2）失效分析 5）失效分析的目的 ①找出导致失效主导因素和可控因素，相应地采取对策，可以达到预防事故、保障安全的目的； ②加强企业全面质量管理，提高产品质量、降低成本的技术经济目的和改进操作、维修和设备管理工作，保证长期稳定和安全可靠地连续生产的目的； ③为诉讼、索赔、责任仲裁问题以及为确认犯罪事实和保险事务等提供证据； ④对科学和技术决策指出方向。

1.失效分析概述 1.1 失效分析基本知识（2）失效分析 6）失效分析的意义 ① 失效是任何材料结构的终结人的认识是有限的，而客观时间是无限的。失效是人们主观认识与客观事物相互脱离的结果，失效发生与否是不为人们的主观意志为转移的，因此，失效是绝对的，而安全则是相对的。② 失效分析是安全运行之母；失效分析是人们认识客观物理本质和规律的逆向思维探索，是对正向思维研究的不可缺少的重要补充，是变失效(失败)为安全(成功)的关键过程，是人们深化客观事物认识的知识源泉。失效分析、改进提高、再失效分析研究、再提高发展，如此往复循环、螺旋上升、发展飞跃，就是人类科学技术发展历史，乃至于社会发展历史的全过程。

1.失效分析概述 1.2 失效分析思路（1）失效过程特点　无论何种失效，失效过程都有如下四个特点：

1.失效分析概述 1.2 失效分析思路（2）失效原因特点失效过程的4个特点决定了失效原因是复杂的，但还是可以分析和判断的。失效原因特点如下：

1.失效分析概述 1.2 失效分析思路（3）失效分析的正确思路正是由于失效原因的上述特点，所以在进行失效分析时必须要有正确的思路，它包括五个重要方面： ① 要掌握客观存在的，与失效行为有关的各种信息，如现场留下的痕迹，部件断口，使用者与目击者对情况的陈述,有关设计、材料、加工、安装、使用、维护等方面的资料。这是失效分析的基础； ② 以机械失效的规律（包括宏观表象特征和微观过程）为理论依据，并进行相关的实验研究，判断失效模式； ③ 全面应用逻辑推理的方法（包括归纳推理、演绎推理、类比推理、选择性推理、假设性推理等），确定失效原因，提出改进措施。

1.失效分析概述 1.2 失效分析思路（3）失效分析的正确思路 ④为排除和证实某些可能的原因，需精心设计检验和实验方案，如化学成分分析、显微分析、应力分析、力学性能测试和断口分析等。　⑤失效分析的最终目的是防止失效的再发生，因此对每件失效事件的分析应该以报告形式作为成果长期发挥广泛的作用。报告中必须包括预防对策及建议，并且应该及时反馈给有关部门，以便在设计、制造、维修、使用、管理等方面采取相应措施避免失效事故的再次发生。

1.失效分析概述 1.2 失效分析思路（4）失效分析基本原则

1.失效分析概述 1.2 失效分析思路（5）失效分析方法

1.失效分析概述 1.2 失效分析思路（6）失效分析的程序

第四章失效分析基础 1.失效分析概述 2.失效物理和机理 3.失效诊断技术和方法 4.失效预测预防技术和方法

2.失效物理和机理 2.1 概述

2.失效物理和机理 2.1 概述（1）失效物理和机理概念失效物理主要研究失效模式及其应用，而失效机理主要研究失效的本质(物理、化学原因)和过程。失效机理是研究失效的物理、化学原因、失效过程及其影响因素和规律等。失效机理和失效模式不同，以生病来比喻，失效机理相当于病理，而失效模式则相当于病症。具体地说：失效机理主要研究各种失效模式的物理、化学本质和过程，研究应力、温度和介质等外部环境因素对失效过程的影响；研究材料成分、组织结构和性能等材料内部因素对失效过程的影响规律。失效机理研究不仅要研究单一的失效机理，而且要特别加强各种复合机理研究。

2.失效物理和机理 2.1 概述（1）失效物理和机理概念金属构件失效常见的失效模式可以分为五大类型：变形失效、断裂失效、腐蚀失效、磨损失效和复合失效。由于工程构件实际服役环境极其复杂，失效往往是多种因素造成的。失效复合失效磨损失效腐蚀失效断裂失效变形失效蠕变疲劳应力腐蚀腐蚀磨损腐蚀疲劳脆性断裂韧性断裂疲劳断裂蠕变断裂均匀腐蚀局部腐蚀粘着磨损磨粒磨损微动磨损过量弹性变形过量塑性变形

2.失效物理和机理 2.1 概述（2）失效机理的本质失效机理是对失效的内在本质、必然性和规律性的研究，它是人们对失效内在的本质认识的理论提高和升华。为了开发可靠的产品，应该了解产品潜在的失效机理。如果能用模型来量化描述相关的失效模式，就可以定量地促进产品设计原则的开发。识别产品在生命周期过程中所受的应力及其影响的各种失效机理是必要的。失效机理从微观的角度揭示了失效发生的根本原因，掌握这些根本原因就能更好地分析产品可能出现的失效类型，并且应用于失效的预防和纠正措施。失效机理为可靠性技术工作提供理论依据，被广泛地应用于可靠性工程。

2.失效物理和机理 2.1 概述（3）失效机理的方法论内因内因外因论外因方法论材料设计过程控制论制造服役

2.失效物理和机理 2.1 概述（3）失效机理的方法论辩证法：内因是变化根据，外因是变化的条件成分材料组织结构内因结构形状、截面成形、机械加工制造工艺表面层、热处理因素论温度物理环境时间外因化学环境介质加载方式、变量力学环境

2.失效物理和机理 2.1 概述（3）失效机理的方法论成分材料组织结构内因结构构件结构形状、截面成形、机械加工和装配制造工艺表面工程、热处理

2.失效机理和机理 2.1 失效机理概述（3）失效机理的方法论温度时间物理环境位置内部介质外因化学环境外部介质机械应力力学环境热应力残余应力

2.失效物理和机理 2.1 概述（3）失效机理的方法论材料、设计、制造、安装、维护和使用过程(1)材料控制(Materials Control) 材料性能评价选择(2)设计过程控制(Design Control) 结构可靠性依赖于设计先进性和完整性(3)制造过程控制(Manufacturing Control) 原材料、成形、加工、检测、试验(4)安装过程控制(Installation Control)零件、套件、部件的连接各固定(5)维护过程控制(Maintenance Control)零部件正常维护和失效维护(6)服役过程控制(Service Control) 环境对材料的影响

2.失效物理和机理 2.1 概述（4）失效机理分类失效机理腐蚀失效机理复合失效机理变形失效机理磨损失效机理断裂失效机理脆性断裂机理韧性断裂机理疲劳断裂机理蠕变断裂失效电化学腐蚀机理化学腐蚀机理粘着磨损机理磨粒磨损机理微动磨损机理塑变机理蠕变疲劳机理应力腐蚀机理腐蚀磨损机理冲蚀磨损机理腐蚀疲劳机理环境

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（1）概念　　各类失效中，断裂失效最主要，危害最大。对断裂行为的研究有两种不同的方法，一是断裂力学的方法；另一种是金属物理的方法，即从材料的显微组织、微观缺陷，甚至从分子、原子尺度上研究断裂行为的方法。而断裂失效分析与断裂行为研究有所不同，它是从断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料的性能、显微组织、零件受力状态及环境条件的关系，从而找出断裂的根本原因。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（2）金属断裂的宏观断口　　根据断裂前所产生宏观塑性变形量的大小，金属断裂可分为塑性断裂、脆性断裂。脆性断裂的宏观断口表面是平坦的，与作用应力垂直。而塑性断裂，在断裂前存在大量的塑性变形，往往起因于单纯的过载。宏观断口

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（2）金属断裂的宏观断口金属一次过载断裂的宏观断口如图，通常可分为三个宏观特征区，即中间的纤维区，然后是放射区和剪切唇区，这就是所谓的断口宏观特征三要素。纤维区的宏观平面与拉伸应力轴垂直，呈粗糙的纤维状，断裂从这一区开始。放射区是裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化的标志，其特征是放射线花样，放射线方向为裂纹扩展方向。塑性断裂的宏观断口示意图

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（2）金属断裂的宏观断口剪切唇区是最后断裂区，表面较光滑，与拉伸应力轴的交角约45°。对于不同的材料，不同的温度和受力状态，三个区域的位置、形状、大小及分布有所不同，有时在断口上也可能只出现一种或二种形貌特征，如薄板拉伸断口可能就只有剪切唇，低合金钢低温拉伸断口就只有放射区和剪切唇等。在室温条件下，随材料强度的增加，纤维区由大变小，放射区的放射线由粗变细，断口显得比较平整。宏观断口在失效分析时可以提供裂纹的起源位置和裂纹扩展方向。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型和机理特定显微结构的材料在特定的外界条件下（如载荷类型、环境温度与介质等），有特定的断裂物理机制和微观形貌特征，可分为解理、准解理、韧窝、沿晶及疲劳断裂等。 1）解理断裂 ①解理断裂物理　解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键破坏而造成的沿一定的晶体学平面（即解理面）快速分离的过程，是一种脆性断裂。小刻面是解理断裂断口上明显的宏观特征。小刻面即结晶面，呈无规则取向，当断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效解理断口（3）金属断裂的主要类型和机理1）解理断裂 ① 解理断裂物理　解理断口的微观特征如图。最主要的是有解理台阶和河流花样，这是因为断裂实际上并不是沿单一的晶面发生，而是在跨越若干个相互平行的位于不同高度上的解理面处发生，在交界处就会形成台阶，解理裂纹扩展过程中，台阶不断地相互汇合，便形成河流花样。小台阶就象支流到下游汇合成了干流，即大台阶。所以河流的流向指示了裂纹扩展的方向。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（4）金属断裂的主要类型和机理1）解理断裂 ② 解理断裂机理影响解理断裂的因素，外因有环境温度、介质、加载速度、应力大小等，内因有材料的晶体结构、显微组织。一般来讲，温度低、加载速度快易产生解理断裂；体心立方、密排立方结构可能产生解理断裂。当氢在α-Fe的解理面处集聚时,会产生氢致解理断裂。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型和机理2）沿晶断裂 ① 沿晶断裂物理　金属多晶体的断裂，依其断裂路径的走向，可分为穿晶断裂和晶间断裂二类。沿晶断裂又称晶间断裂，它是多晶体沿不同取向晶粒间晶界分离的现象。当晶界强度因偏析或夹杂物的作用而低于晶内强度时容易产生。　一般的沿晶脆断断口微观特征是“冰糖状”（图），沿晶分离面平滑、干净，无微观塑性变形特征，可以清晰地辩认出一颗颗象冰糖样的晶粒。冰糖状沿晶断口

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型和机理2）沿晶断裂 ② 沿晶断裂机理沿晶断裂的特点是裂纹沿晶界扩展，产生这种晶间断裂的原因通常是由于：a.晶界上存在脆性沉淀相；b.晶间弱化；c.晶界与环境作用，导致晶界脆化或沿晶界优先腐蚀等而引起晶界断裂。因此晶间断裂多见于应力腐蚀、高温蠕变等这样一些特殊服役条件下，回火脆性就是一种晶间断裂。穿晶断裂特点是裂纹穿过晶粒内部，穿晶断裂依其断裂方式主要地又可分为解理和微孔聚合剪切二种。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型与机理3）韧窝断裂 ①韧窝断裂物理　　韧窝是金属塑性断裂的主要微观特征。它是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核、长大、聚集最后相互连接而导致断裂后，在断口表面上所留下的痕迹。图就是韧窝形成图与典型形貌。韧窝的大小包括平均直径和深度。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型与机理3）韧窝断裂 ②韧窝断裂机理影响韧窝大小的内因：第二相的大小、密度、基体的塑性变形能力、形变硬化指数等；外因：应力和加载速率。一般在断裂条件相同时，韧窝尺寸越大，表示材料的塑性越好。 625℃、196h时T91持久试样韧窝断口 20℃时T91冲击试样韧窝断口

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型与机理4）准解理断裂 ① 准解理断裂物理　准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间一种过渡断裂形式，其典型形貌如图。准解理的形成过程示意图见图，首先在许多不同部位同时产生许多解理裂纹核，然后按解理方式扩展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，与相邻的解理小刻面相连，形成撕裂岭。准解理断口与解理断口的不同之处在于：准解理形貌 10Cr9Mo1VNbN -120℃冲击断口

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效物理和机理（3）金属断裂的主要类型与机理4）准解理断裂 ②准解理断裂机理 ◇准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子，而解理断裂的断裂源在晶粒边界或相界面上； ◇裂纹的传播途径不同，准解理是由裂纹源向四周不连续扩展，解理是由晶界向晶内扩展，形成河流花样； ◇准解理小平面的位向与基体解理面之间无确定的对应关系。准解理形成示意图

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型与机理5）混合断裂准解理和韧性断裂混合在一起出现的混合断裂。① 混合断裂物理混合断裂形成示意图基本上属于准解理断裂大的解理面形成的撕裂棱中间布满了细小的韧窝。属于韧窝引起的韧性断裂 10Cr9Mo1VNbN -78℃冲击断口

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型与机理5）混合断裂 ② 混合断裂机理在某种合适的温度（韧脆转变温度附近）和应变速率作用下，构件也会出现准解理和韧性断裂混合在一起出现的混合断裂。试验温度处于韧脆转变区域附近，微观断口呈现一定的脆性，大部分为准解理断裂。在断裂过程中，有一定的塑性变形发生，局部有沿晶界断裂区域，断口上有明显的二次裂纹，但断口基本上属于混合型断口，大的解理刻面之间存在很多的韧性撕裂棱，撕裂棱上布满了细小的韧窝，这些韧性撕裂棱的存在大大提高了材料抵抗裂纹扩展的能力，使冲击试样的冲击能量增加。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型与机理6）疲劳断裂疲劳断裂是材料（或构件）在交变应力反复作用下发生的断裂。所谓交变应力是指应力的大小、方向或大小和方向同时都随时间作周期性改变的应力，各种发动机曲轴、主轴、齿轮、弹簧、涡轮机主轴、叶片、钢轨、飞机螺旋浆及各种滚动轴承等都是承受交变应力。疲劳断裂前无显著变形，表现为突然破坏，因此危害性严重。疲劳断裂不仅与材料性质有关，而且对零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件和外界环境非常敏感。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效 3）金属断裂的主要类型与机理6）疲劳断裂① 疲劳断裂物理左上图为疲劳断口；左下图为疲劳源。

2.失效物理和机理 2.2 断裂失效（3）金属断裂的主要类型与机理 ⑤疲劳断裂 ①疲劳断裂物理在裂纹扩展区，用扫描电镜观察可以看到疲劳断裂的特征花样——疲劳条纹，它们是一系列基本上相互平行的，略带弯曲的波浪形条纹，并与裂纹局部扩展方向相垂直。每一条条纹代表一次应力循环引起的裂纹扩展。 P91/Δεt=0.55% 600℃高温疲劳断口形貌

材料环境行为与服役性能 Environmental Behaviours & Performance of Materials